Слаботочные зарядные устройства

Один из наиболее простых способов зарядки серебряно-цинковых элементов типа СЦ-21 описан в работе [14.1]. Для этого параллельно соединяют элемент типа 373 («Орион-М») и восстанавливаемый элемент СЦ-21 (рис. 14.1). До зарядки напряжение на СЦ-21 составляло около 1,5 В. В процессе зарядки это напряжение достигло нормы: 1,55... 1,6 6, причем перезаряд элемента СЦ-21 исключен. Минимальное время восстановления заряда составляло 1...1.5 суток. В качестве батареи-донора можно использовать также элементы типа 343 и ему подобные элементы, напряжение на которых близко к 1,6 6. Поскольку ток зарядки невелик, то можно использовать отработанные сухие батареи.

Рис. 14.1. Подзарядка СЦ-21 от элемента 373

Рис. 14.2. Схема заряда батареи 2х2Д-0,1 от автомобильного аккумулятора

Зарядка миниатюрных аккумуляторных батарей, таких, как 2х2Д-0,1 или 7Д-0,1 может производиться в полевых условиях от любых источников постоянного тока, в частности от автомобильных аккумуляторов напряжением 12 Б или бортовой сети напряжением 24...27 В [14.2]. Для зарядки аккумуляторной батареи 2х2Д-0,1 от 12-вольтовой аккумуляторной батареи зарядным током 24 мА необходимо в зарядную цепь включить последовательно ограничительное сопротивление (например, типа М/77) величиной около 110 Ом, как это показано на рис. 14.2.
Для батареи 7Д-0,1, зарядный ток которой составляет 12 мА, требуется гасящее сопротивление величиной 300 Ом.
В приведенных выше случаях время полного заряда составит 15... 16 часов. В случае необходимости частично разряженным батареям может быть дан подзаряд, время которого определяется величиной утраченной емкости.
Схема простого устройства для регенерации гальванических элементов асимметричным током с соотношением токов во время полупериодов 1:10 с гальванической развязкой от сети показана на рис. 14.3 [14.3].

Рис. 14.3. Схема устройства для регенерации гальванических элементов асимметричным током

Значения сопротивлений резисторов устройства можно о ределить из выражений:
Здесь: UBX — напряжение на входе устройства (выводах трансформатора), В; U0 — напряжение заряжаемого элемента, В, I0 — ток заряда, мА; R1, R2 — в кОм.
На следующем рисунке (рис. 14.4) показан усложненный и усовершенствованный вариант схемы, позволяющей ограничивать падение напряжения на заряжаемом элементе, индицировать свечением светодиода процесс зарядки и момент его окончания. При повышении напряжения на элементе в процессе зарядки плавно открывается стабилитрон, начинает светиться светодиод. Подбором стабилитрона напряжение на заряжаемом элементе можно ограничить, это предохранит батарею от перезарядки.
Подобным методом можно заряжать и никель-кадмиевые аккумуляторы.
Известно, что марганцево-цинковые батареи обладают способностью к перезарядке [14.2]. Такой способностью обладают,
в частности, широко распространенные элементы и батареи типа КБС, «Крона» и др. при условии, что подзаряды производятся в пределах срока сохранности элемента или батареи, а также при условии отсутствия повреждений цинкового стакана или изолирующей оболочки элемента. Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей производится асимметричным током, обеспечивающим получение плотного осадка цинка на отрицательном электроде.

Рис. 14.4. Усовершенствованный вариант схемы зарядного устройства с сетевым питанием

Рис. 14.5. Схема простейшего устройства для зарядки марганцево-цинковых и ртутно-цинковых элементов и батарей асимметричным током

Существует несколько схем получения асимметричного тока. Простейшая схема выпрямителя для зарядки МЦ и РЦ элементов и батарей приведена на рис. 14.5 [14.2].
Схемы получения асимметричного зарядного тока (рис. 1 4.6, 14.7) рассчитаны на использование понижающего трансформатора с выходным напряжением 7,5 6, что позволяет применять их для зарядки батарей с напряжением 4,5 В и ниже. Одна из схем (см. рис. 14.6) использует для пропускания переменной составляющей диод, зашунтированный небольшим сопротивлением [14.2]. Лампа EL1 3,5 6, 0,28 А, включенная в зарядную цепь, служит стабилизатором тока и одновременно выполняет роль индикатора окончания процесса зарядки батареи, который определяется по уменьшению яркости накала нити.

Рис. 14.6. Схема устройства для получения асимметричного зарядного тока

Рис. 14.7. Вариант схемы устройства для получения асимметричного зарядного тока

Следующая схема для получения асимметричного зарядного тока (рис. 14.7) использует два включенных навстречу диода [14.2]. Окончание заряда батареи в этой схеме определяется по прекращению роста напряжения, которое после достижения 6 В (для батарей КБС) уже не повышается вследствие уравнивания токов в обеих параллельных ветвях и протекания только переменной составляющей, не вызывающей увеличения напряжения.
При использовании таких схем необходимо в процессе заряда контролировать как напряжение постоянного тока, так и переменную составляющую. Заряд батарей КБС, разряженных не ниже 2,3...2,4 В, продолжается с помощью описанных устройств в течение 12... 14 часов, с тем, чтобы сообщить батарее 140... 160% номинальной емкости.
Принципиальная схема устройства [14.2] для зарядки серебряно-цинковых и никель-цинковых аккумуляторов асимметричным током показана на рис. 14.8. Регулировкой потенциометров можно обеспечить необходимое соотношение токов для зарядки.
Как было показано ранее, для зарядки аккумуляторов может быть использован источник переменного тока, имеющий асимметрию положительных и отрицательных полуволн.
Для получения асимметричного переменного тока авторами изобретения [14.4] была предложена схема трансформатора (рис. 14.9), имеющего разные коэффициенты трансформации для положительной и отрицательной полуволн.

Рис. 14.8. Схема устройства для зарядки серебряно-цинковых и никель-цинковых аккумуляторов асимметричным током

Рис. 14.9. Схема получения асимметричного переменного напряжения

Рис. 14.10. Схема получения регулируемого асимметричного переменного тока

Рассмотренная выше схема трансформатора не позволяет получить на выходе регулируемое соотношение полуволн напряжения. Как следует из рис. 14.9, соотношение амплитуд полупериодов на выходе трансформатора остается неизменным. Впрочем, эту проблему легко можно разрешить, включив в схему дополнительный потенциометр R1 (рис. 14.10). Отметим, что вместо потенциометра R1 можно использовать и его транзисторный аналог — управляемое электрическим сигналом «сопротивление» на основе полевых или биполярных транзисторов.
В другом изобретении [14.5] показана возможность преобразования напряжения с регулировкой формы выходного напряжения (рис. 14.11): потенциометром R3 регулируют частоту генерации, R4 — длительность полупериодов выходного напряжения.
Такие схемные решения могут быть использованы, например, для создания устройств зарядки аккумуляторных батарей асимметричным током с автоматической или принудительной ручной регулировкой формы зарядного тока.

Рис. 14.11. Схема преобразователя напряжения с регулировкой формы выходного напряжения

Рис. 14.12. Схема зарядного устройства с ограничителями-стабилизаторами зарядного тока на основе ламп накаливания

Зарядное устройство (рис. 14.12) позволяет одновременно заряжать различным током несколько аккумуляторов [14.6]. Для зарядки используется пульсирующее напряжение, снимаемое с выхода мостового выпрямителя на диодах VD1 — VD4. В качестве ограничителей-стабилизаторов тока заряда использованы слаботочные лампы накаливания, включенные последовательно с заряжаемыми элементами.
Лампы защищают схему от короткого замыкания и индицируют процесс зарядки. При коротком замыкании в нагрузке одного из каналов, соответствующая этому каналу лампа горит ярким светом, индицируя об аварийном режиме работы. Если не будут предприняты иные меры (отключение короткозамкнутой нагрузки), лампа перегорает. Процесс зарядки остальных аккумуляторов при этом не прерывается.
Напряжение на зажимах заряжаемых аккумуляторов может находиться в пределах от 1,2 до 12 6. Напряжение на вторичной обмотке транссрорматора Т1 должно быть 32 6.
Многие аккумуляторы не допускают разрядку ниже определенного значения: стоит перейти некоторый предел, и в аккумуляторе произойдут необратимые процессы, после которых источник питания станет непригоден для дальнейшей эксплуатации. В этой связи очень актуальным является вопрос защиты элементов питания от слишком глубокой разрядки.
Схема одного из устройств, предназначенных для защиты аккумуляторов от разряда ниже допустимой величины [14.6], показана на рис. 14.13. Для контроля напряжения питания использован обычный стабилитрон VD1 или заменяющий его лавинный транзистор VT3.

Рис. 14.13. Схема устройства для защиты аккумуляторов от разряда ниже допустимой величины

Стоит источнику напряжения GB1 разрядиться до напряжения, меньшего суммы напряжения стабилизации стабилитрона (или напряжения лавинного пробоя транзистора VT3) и падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, как
транзисторный ключ (VT1 и VT2) запрется и отключит нагрузку от батареи GB1.
Согласно одной из концепций, для заряда герметичных аккумуляторов наиболее благоприятным считается зарядный ток стабильной величины.
Зарядное устройство (рис. 14.14) позволяет получить на выходе «набор» зарядных токов, которые не зависят от колебаний входного напряжения, а также сопротивления заряжаемого элемента [14.6]. На нагрузке транзистора VT1 напряжение стабилизировано. С движков группы потенциометров, включенных параллельно и питаемых стабильным напряжением, снимается определенная доля напряжения и поступает на базы транзисторов VT2 — VT5. При помощи резисторов R3, R5, R7, R9 задается величина предельного тока через транзисторы и, соответственно, через заряжаемые элементы.

Рис. 14.14. Схема зарядного устройства с «набором» стабильных зарядных токов

Схема (рис. 14.15) предназначена для раздельного заряда до шести химических источников тока [14.7]. Одновременно можно заряжать полностью разряженные аккумуляторы и те, которые необходимо подзарядить после хранения. Последние никогда не перезарядятся, если прекратить заряд одновременно с теми, которым необходимо полностью восстановить емкость. Вследствие технологического разброса при производстве аккумуляторов, каждый из них отдает различную емкость даже при соединении их в батарею, особенно это относится к длительно эксплуатируемым аккумуляторам.
Аккумулятор, подключенный к гнезду XS1, заряжается эмиттерным током транзистора VT1, пропорциональным току
базы, который уменьшается по экспоненциальному закону. Таким образом, аккумулятор автоматически заряжается оптимальным образом.
Опорное напряжение формируется аналогом низковольтного стабилитрона на элементах VT7, VT8, VD1, VD2. Диоды VD1, VD2 подбирают из комбинации кремниевый — германиевый или оба германиевых. Критерий правильности подбора — напряжение 1,35... 1,4 6 на эмиттере транзистора VT1. Резистор в цепи базы транзистора определяет начальный ток заряда. Само зарядное устройство в процессе работы постоянного наблюдения не требует.

Рис. 14.15. Схема зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов

На схеме указаны номиналы для заряда аккумуляторов ЦНК-0,45. Зарядное устройство позволяет заряжать также аккумуляторы типов Д-0,06, Д-0,125, Д-0,25, но для каждого из них необходимо установить в цепи базы транзистора резистор, обеспечивающий соответствующий начальный ток заряда.
В зарядном устройстве не предусмотрена система защиты от перегрузок. Питание устройства — от стабилизированного источника +5 В с максимальным током 2 А.
Следует заметить, что разряжать аккумуляторы ниже 1 6 не стоит, такие аккумуляторы теряют номинальную емкость, а бывает, и переполюсовываются.
Для контроля окончания зарядки можно использовать схему на рис. 14.16 [14.7].

Рис. 14.16. Схема контроля окончания заряда

Основой ее служит компаратор DA1. На неинвертирую-иций вход поступает напряжение 1,35 Б с движка подстроенного резистора R1. Через контакты кнопки SB1 на инвертирующий вход подают напряжение с контролируемого аккумулятора. Если при фиксации кнопки SB1 в нажатом положении светодиод HL1 начинает светиться, то аккумулятор" зарядился до номинального напряжения 1,35 В. Далее контролируют напряжение на следующем аккумуляторе и т.д.
Автоматически отключающееся зарядное устройство [14.6] на основе тиристорного ключа (рис. 14.17) состоит из выпрямителя и источника стабилизированного опорного напряжения. Источник опорного напряжения выполнен на стабилитроне VD6. Через резистивный делитель (потенциометр R2) стабилизированное напряжение подается на базу транзистора VT2. К эмиттеру этого транзистора подключен анодом диод VD7, соединенный своим катодом с заряжаемой батареей. Как только напряжение на батарее повысится сверх заданного уровня, транзисторы VT1 и VT2, а также и тиристор, через который протекает зарядный ток, отключатся, прервав процесс заряда.
Стоит обратить внимание, что тиристор питается импульсами выпрямленного напряжения от диодного моста VD1 — VD4. Конденсатор фильтра С1, транзисторная схема и стабилизатор напряжения подключены к выпрямителю через диод VD5. Лампа накаливания индицирует процесс заряда и, при необходимости, ограничивает ток короткого замыкания в аварийной ситуации.
В зарядных устройствах также может использоваться схема стабилизатора тока. На рис. 14.18 показана схема зарядного уст-эойства на основе микросхемы LM117 с ограничением зарядного тока до 50 мА [14.8]. Величину этого тока легко изменить с помощью резистора R1.

Рис. 14.17. Схема зарядного устройства с автоматическим отключением

Рис. 14.18. Схема зарядного устройства на основе стабилизатора тока

Рис. 14.19. Схема зарядного устройства для заряда батареи напряжением 12В

Простое зарядное устройство [14.8] для заряда батареи напряжением 12 В может быть выполнено на основе микросхемы типа LM117 (рис. 14.19). Выходное сопротивление устройства определяется величиной резистора Rs.
Схема другого зарядного устройства [14.8] с ограничителем зарядного тока на уровне 600 мА (при сопротивлении резистора R3=1 Ом) для заряда 6 В батареи изображена на рис. 14.20.

Рис. 14.20. Схема зарядного устройства с ограничением зарядного тока

Рис. 14.21. Схема зарядного устройства для аккумуляторов ЦНК-0,45

В схеме зарядного устройства (рис. 14.21) для заряда аккууляторов типа ЦНК-0,45 использован стабилизатор тока на микэсхеме типа КР142ЕН5А [14.9]. Ток заряда (50...55 мА) задан
)противлением резистора R1: на этом сопротивлении падает вно 5 В, следовательно, ток, протекающий через последоельную цепочку из заряжаемого аккумулятора и генерато стабильного тока на основе микросхемы DA1 составляет (Б)/120 (Ом)=45+\с (мА), где 1С=5...10 мА — ток собственного ггребления микросхемы. Реально ток будет выше указанного ачения еще на 3 мА, поскольку в расчетах не учтен ток через
етодиодный индикатор HL1, индицирующий работу устройства.
Напряжение на конденсаторе фильтра С1 должно быть по-дка 15...25 В.
При использовании стабилизаторов на большее выходное пряжение величину резистора R1 следует изменить (в сторону эличения).
Устройство можно практически без переделок использовать на иные зарядные токи, вплоть до 1 А. Для этого потребуется подбор резистора R1 и, при необходимости, использование радиатора для микросхемы DA1.
Зарядное устройство (см. рис. 14.22) питают выпрямленным напряжением 12 В [14.10]. Сопротивление токоограничительных резисторов рассчитывают по формуле: R=UCT/I, где UCT — выходное напряжение стабилизатора; I - - зарядный ток. В рассматриваемом случае UCT=1,25 Б; соответственно, сопротивление резисторов таково: R1=1,25/0,025=50 О/и, R2=1,25/0,0125=100 Ом. В расчетах не учтен ток собственного потребления микросхемы (см. выше), который может составлять 5... 10 мА.

Рис. 14.22. Схема зарядного устройства со стабилизацией тока

В устройстве можно применить микросхемы типов SD1083, SD1084, ND1083 или ND1084.
Схема зарубежного зарядного устройства «ВС-100» [14.11] приведена на рис. 14.23. Устройство позволяет одновременно заряжать 3 пары Ni-Cd аккумуляторов. В процессе заряда светится светодиод HL1, затем светодиод HL1 начинает периодически вспыхивать. Постоянное свечение светодиодов HL1 и HL2 свидетельствует об окончании процесса заряда.
Зарядное устройство «ВС-100» не лишено недостатков. Заряд наиболее распространенных аккумуляторов емкостью 450 мА-ч током 160... 180 мА оказывается недопустимым. Ускоренный режим заряда выдерживают не все аккумуляторы, поэтому О. Долговым [14.11] было разработано более совершенное зарядное устройство, схема которого приведена на следующем рисунке (рис. 14.24).
Сетевое напряжение, пониженное трансформатором Т1 до 10 В, выпрямляется диодами VD1 — VD4 и через токоограничи-вающий резистор R2 и составной транзистор VT2, VT3 поступает на заряжаемую батарею GB1. Светсэдиод HL1 индицирует наличие зарядного тока.

Рис. 14.23. Схема зарядного устройства «ВС-100" для Ni-Cd аккумуляторов

Рис. 14.24. Схема усовершенствованного зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов

Значение начального тока заряда определяется напряжением вторичной обмоти трансформатора и сопротивлением резистора R2. Но напряжения на выходе устройства
недостаточно для открывания стабилитрона VD5, поэтому транзистор VT1 закрыт, а составной транзистор открыт и находится в состоянии насыщения. При достижении напряжения на батарее аккумуляторов 2,7...2,8 В транзистор VT1 открывается, загорается светодиод HL2, и составной транзистор, закрываясь, уменьшает ток заряда.
Вторичная обмотка сетевого трансформатора должна быть рассчитана на напряжение 8...12 Б и максимальный ток заряда с учетом всех одновременно заряжаемых аккумуляторов. Начальный ток заряда предлагаемого устройства — около 100 мА.
Налаживание устройства сводится к установке максимального тока заряда и выходного напряжения, при котором начинает светиться индикатор HL2. К выходу устройства через миллиамперметр подключают пару разряженных аккумуляторов и подбором резистора R2 устанавливают требуемый зарядный ток. Затем вывод эмиттера транзистора VT3 временно отключают от внешних цепей, подключают к выходу устройства пару полностью заряженных аккумуляторов (или другой источник напряжением 2,7...2,8 6) и подбором резисторов R5 и R6 добиваются свечения светодиода HL2. После этого восстанавливают разомкнутое соединение — и прибор готов к работе.
Для заряда никель-кадмиевых аккумуляторов В. Севастьянов использовал стабилизатор тока на основе интегральной микросхемы DA1 типа КР142ЕН1А (рис. 14.25) [14.12]. Величину зарядного тока регулируют грубо и плавно при помощи резисторов R3 и R4.
Сама микросхема может обеспечить номинальный выходной ток до 50 мА и максимальный — до 150 мА. При необходимости увеличить этот ток следует подключить транзисторный усилитель на составном транзисторе. Транзистор необходимо установить на радиаторе. В том варианте, что показан на рис. 14.25, устройство обеспечивает выходной регулируемый стабильный ток в пределах 3,5...250 мА.
Заряжаемые элементы подключают к устройству через диоды VD1 — VD3.
Для заряда аккумуляторов Д-0,06 суммарный зарядный ток задают в пределах 16... 18 мА; заряд этим током производят 6 часов, затем зарядный ток снижают вдвое и продолжают заряд еще 6 часов.

Рис. 14.25. Схема стабилизатора тока для заряда Ni-Cd аккумуляторов

Рис. 14.26. Схема устройства для восстановления серебряно-цинковых элементов СЦ-21

Для подзаряда серебряно-цинковых элементов СЦ-21 В. Пиц-маном [14.13] использована схема (рис. 14.26), в основе которой — задающий генератор на транзисторе и микросхеме К155ЛАЗ. К выводам 8 и 11 микросхемы DA1 подключены диодные цепочки, образованные из последовательно включенных кремниевых диодов КД102, встречно-параллельно которым подключен германиевый диод Д310.
Благодаря такому включению при попеременном появлении значений логического нуля и логической единицы на выходе микросхемы (т.е. подключении цепочки диодов к плюсовой или общей шине источника питания) происходит попеременная дозированная зарядка элементов GB1 и GB2 с последующим их разрядом. Величина зарядного тока превосходит ток разряда, что в итоге способствует восстановлению свойств элементов.